Шпаргалка по дисциплине: «Микропроцессоры и микропроцессорные системы»

  Поэтому необходимо уменьшение напряжения питания  СБИС до 3.6, 3.3, 3 В и т.п., при этом известно, что блок питания компьютера обеспечивает обычно напряжения +5В, +12В, -12В.

  Однако  инжекция и заряжение диэлектрика  не всегда процесс отрицательный  или паразитный. Уменьшение напряжения записи информационного заряда в  репрограммируемых ЗУ ниже 12 В позволяет  их программировать внутри микропроцессорной системы, а не специальным устройством (программатором). Тогда для разработчика открываются большие возможности для программирования не только адреса микросхем контроллера или адаптера в пространстве устройств ввода/вывода или номера прерывания, но и творить необходимое устройство самому (если иметь такую ИМС). Однако отметим, что кроме "хозяина" это может сделать и компьютерный вирус, который будет, естественно, разрушать, а не созидать что-либо.

  Вопрос  №17

  Основные  характеристики полупроводниковой памяти

  Полупроводниковая память имеет большое число характеристик  и параметров, которые необходимо учитывать при проектировании систем:

  1. Емкость  памяти определяется числом бит  хранимой информации. Емкость кристалла  обычно выражается также в  битах и составляет 1024 бита, 4 Кбит, 16 Кбит, 64 Кбит и т.п. Важной характеристикой кристалла является информационная организация кристалла памяти MxN, где M - число слов, N - разрядность слова. Например, кристалл емкостью 16 Кбит может иметь различную организацию: 16 Кx1, 4 Кx2 Кx8. При одинаковом времени обращения память с большей шириной выборки обладает большей информационной емкостью.

  2. Временные  характеристики памяти.

  Время доступа - временной интервал, определяемый от момента, когда центральный процессор выставил на шину адреса адрес требуемой ячейки памяти и послал по шине управления приказ на чтение или запись данных, до момента осуществления связи адресуемой ячейки с шиной данных.

  Время восстановления - это время, необходимое для приведения памяти в исходное состояние после того, как ЦП снял с ША - адрес, с ШУ - сигнал "чтение" или "запись" и с ШД - данные.

  3. Удельная  стоимость запоминающего устройства  определяется отношением его  стоимости к информационной емкости,  т.е. определяется стоимостью бита хранимой информации.

  4. Потребляемая  энергия (или рассеиваемая мощность) приводится для двух режимов  работы кристалла: режима пассивного  хранения информации и активного  режима, когда операции записи  и считывания выполняются с  номинальным быстродействием. Кристаллы динамической МОП-памяти в резервном режиме потребляют примерно в десять раз меньше энергии, чем в активном режиме. Наибольшее потребление энергии, не зависящее от режима работы, характерно для кристаллов биполярной памяти.

  5. Плотность  упаковки определяется площадью запоминающего элемента и зависит от числа транзисторов в схеме элемента и используемой технологии. Наибольшая плотность упаковки достигнута в кристаллах динамической МОП-памяти.

  6. Допустимая  температура окружающей среды  обычно указывается отдельно для активной работы, для пассивного хранения информации и для нерабочего состояния с отключенным питанием. Указывается тип корпуса, если он стандартный, или чертеж корпуса с указанием всех размеров, маркировкой и нумерацией контактов, если корпус новый. Приводятся также условия эксплуатации: рабочее положение, механические воздействия, допустимая влажность и другие.

  Вопрос  №18

  Постоянные  запоминающие устройства

  Программируемые постоянные запоминающие устройства (ППЗУ) делятся на однократно программируемые (например, биполярные ПЗУ с плавкими соединениями) и рассматриваемые здесь многократно электрически программируемые МОП ПЗУ. Это полевой транзистор с плавающим затвором и МДОП (металл-диэлектрик-оксид полупроводник) транзистор. Обычно в качестве диэлектрика используют нитрид кремния.

  Полевой транзистор с плавающим затвором

  Конструкция и обозначение полевого транзистора  с плавающим затвором представлены на рис. 4.1.

  

  Рис. 4.1. МОП  транзистор с плавающим затвором

  Это р-канальный  нормально закрытый МОП прибор. Здесь  же показаны вольтамперные характеристики (ВАХ) транзистора в состоянии  логических единицы и нуля (до и  после записи информационного заряда). Плавающий затвор представляет собой область поликремния, окруженную со всех сторон диэлектриком, т.е. он электрически не связан с другими электродами и его потенциал "плавает". Обычно толщина нижнего диэлектрического слоя составляет десятки ангстрем. Это позволяет в сильном электрическом поле инжектировать электроны в плавающий затвор:  
- или сквозь потенциальный барьер Si-SiO₂ путем квантовомеханического туннелирования;  
- или над барьером "горячих" носителей, разогретых в поперечном или продольном поле при пробое кремниевой подложки.

  Положительное смещение на верхнем затворе (относительно полупроводниковой подложки) вызовет  накопление электронов в плавающем  затворе при условии, что утечка электронов через верхний диэлектрический  слой мала. Величина заряда Q, накопленного за время t, а значит, и пороговое напряжение, определяется как где J(t) - величина инжекционного тока в момент времени t.

  

  Рис. 4.2. . Инжекция горячих электронов в диэлектрик МДП-транзистора и другие процессы, проходящие при лавинном пробое подложки

  Лавинный  пробой подложки вблизи стока может приводить к неод-нородной деградации транзистора и, как следствие, к ограничению по числу переключений элемента памяти. МДП-транзистор с плавающим затвором может быть использован в качестве элемента памяти с временем хранения, равным времени диэлектрической релаксации структуры, которое может быть очень велико и, в основном, определяется низкими токами утечки через барьер Si-SiO2 (Фe=3.2 эВ). Fe - высота потенциального барьера. Такой элемент памяти обеспечивает возможность непрерывного считывания без разрушения информации, причем запись и считывание могут быть выполнены в очень короткое время.

  Вопрос  №19

  МНОП  транзистор

  На рис. 4.3 приведена конструкция МНОП транзистора (металл-нитрид кремния-оксид кремния-полупроводник). Эффект памяти основан на изменении порогового напряжения транзистора при наличии захваченного в подзатворном диэлектрике положительного или отрицательного заряда, который хранится на глубоких (1.3-1.5 эВ) ловушках, в нитриде кремния вблизи границы SiO2-Si3N4.

  

  Рис. 4.3. Конструкция  МНОП транзистора: 1 - металлический  затвор; 2,3 - области истока и стока  соответственно; 4 - подложка.

  Запись  информационного заряда происходит так же, как и в МОП транзисторе с плавающим затвором. Высокая эффективность захвата электронов (или дырок) связана с большим сечением захвата на ловушки (порядка 10-13 кв.см.) и большой их концентрации (порядка 1019 куб.см.).

  

  Рис. 4.4. Операция записи в МНОП-структуре (зонная диаграмма).

  Ток в  окисле Jox - туннельный ток инжекции, ток JN - ток сквозной проводимости в  нитриде. В случае прямого туннелирования электронов в зону проводимости SiO2 сквозь треугольный барьер плотность тока определяется уравнением Фаулера-Нордгейма , где A - константы, Е - напряженность электрического поля. По мере накопления заряда поле на контакте уменьшается, что приводит к уменьшению скорости записи. Эффективность записи зависит также и от тока сквозной проводимости в нитриде.

  Стирание  информации (возврат структуры в  исходное состояние) может осуществляться:  
- ультрафиолетовым излучением с энергией квантов более 5.1 эВ (ширина запрещенной зоны нитрида кремния) через кварцевое окно;  
- подачей на структуру импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему. В соответствии с ГОСТом такие ИМС имеют в своем названии литеры РФ и РР соответственно. Время хранения информации в МНОП транзисторе обусловлено термической эмиссией с глубоких ловушек и составляет порядка 10 лет в нормальных условиях. Основными факторами, влияющими на запись и хранение заряда, являются электрическое поле, температура и радиация. Количество электрических циклов "запись-стирание" обычно не менее 10⁵.

  Вопрос  №20

  Оперативные запоминающие устройства

  Полупроводниковые ЗУ подразделяются на ЗУ с произвольной выборкой и ЗУ с последовательным доступом. ЗУПВ подразделяются на:  
- статические оперативные запоминающие устройства (СОЗУ);  
- динамические оперативные запоминающие устройства (ДОЗУ). ЗУ с последовательным доступом подразделяются на:  
- регистры сдвига;  
- приборы с зарядовой связью (ПЗС).

  В основе большинства современных ОЗУ  лежат комплиментарные МОП ИМС (КМОП), которые отличаются малой  потребляемой мощностью. Это достигается  применением пары МОП транзисторов с разным типом канала: n-МОП и p-МОП. Как видно на рис. 4.5, в КМОП инверторе как при низком, так и при высоком уровне сигнала на входе один из транзисторов закрыт. Поэтому потребление энергии происходит только при переключении "1"R"0" (и обратно).

  

  Рис. 4.5. Схема  КМОП инвертора.

  Чтобы реализовать  на подложке n-типа не только p-канальный  транзистор, но и n-канальный, последний  изготавливается в так называемом "кармане", как показано на рис. 4.6

  

  Рис. 4.6. Конструкция  инвертора на КМОП транзисторах.

  Аналогично  на четырех МОП транзисторах (2 n-МОП  и 2 p-МОП, включенных параллельно и  последовательно) можно построить и другие базовые логические элементы "И" и "ИЛИ" и, соответственно, на их основе строятся все другие более сложные логические схемы.

  Как известно, быстродействие МОП транзисторов в  первую очередь ограничивается большой  входной емкостью затвор-исток (подложка). Уменьшение геометрических размеров приборов (площади затвора и длины канала) при увеличении степени интеграции увеличивает граничную частоту.

  Малое потребление  энергии позволяет использовать КМОП ИМС с питанием от микробатареи как ПЗУ, где располагается часть операционной системы, которая осуществляет начальную загрузку всей системы (программа Setup).

  Вопрос  №21

  Статические запоминающие устройства

  Элементарной  ячейкой статического ОЗУ с произвольной выборкой является триггер на транзисторах Т1-Т4 (рис. 3.7) с ключами Т5-Т8 для доступа к шине данных. Причем Т1-Т2 - это нагрузки, а Т3-Т4 - нормально закрытые элементы.

  

  Рис. 4.7. Ячейка статического ОЗУ.

  Сопротивление элементов Т1-Т2 легко регулируется в процессе изготовления транзистора  путем подгонки порогового напряжения при легировании поликремниевого  затвора методом ионной имплантации. Количество транзисторов (6 или 8) на ячейку зависит от логической организации памяти микропроцессорной системы.

  Вопрос  №22

  Динамические  запоминающие устройства

  В отличие  от статических ЗУ, которые хранят информацию пока включено питание, в  динамических ЗУ необходима постоянная регенерация информации, однако при  этом для хранения одного бита в ДОЗУ нужны всего 1-2 транзистора и накопительный конденсатор (рис. 4.8). Такие схемы более компактны.

  

  Рис. 4.8. Запоминающая ячейка динамического ОЗУ.

  

  Рис. 4.9. Конструкция  ячейки ДОЗУ (см. рис. 4.8, слева). Снизу  представлен разрез схемы по линии  А-А.

  Естественно, что в микросхеме динамического ОЗУ есть один или несколько тактовых генераторов и логическая схема для восстановления информационного заряда, стекающего с конденсатора. Это несколько "утяжеляет" конструкцию ИМС.

  Чаще всего  и СОЗУ, и ДОЗУ выполнены в виде ЗУ с произвольной выборкой, которые имеют ряд преимуществ перед ЗУ с последовательным доступом.

  Вопрос  №23

  Запоминающие  устройства с произвольной выборкой

  На рис. 4.10 показано обозначение ЗУПВ и его  внутренняя структура.

  

  

  Рис. 4.10. ОЗУ  с произвольной выборкой. а) ОЗУ 16x4 бит; б) ОЗУ 64Кx1 (КР565РУ5)

  Здесь: D1-Dn (справа DI) - информационные входы; Q1 - Qn (справа DO) - инверсные выходы; A1- An - адресные входы; WE# - запись/чтение; CS# (Chip Select) - выбор кристалла; CAS# (Column Address Strobe) и RAS# (Row Address Strobe) - сигнал выборки столбца и строки соответственно.

  Представленное здесь ЗУПВ - это ДОЗУ с организацией хранения информации 65536 бит на 1 разряд. Накопительная матрица с однотранзисторными запоминающими элементами имеет размер 512x128. Для уменьшения количества задействованных ножек у ИМС (16-входовый DIP корпус) применена мультипликация адреса, что видно на рисунке по наличию отдельных дешифраторов строк и столбцов. Устройство управления включает два генератора тактовых сигналов и генератор сигналов записи и обеспечивает 4 режима работы: записи, считывания, регенерации и мультипликации адреса. Время регенерации - 2 мс.